久久久91-久久久91精品国产一区二区-久久久91精品国产一区二区三区-久久久999国产精品-久久久999久久久精品

文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）04-066-06中圖分類號：TP29

★陳淑芳，張人杰，聶佳（上海電器科學研究所（集團）有限公司，上海200063）

關(guān)鍵詞：異構(gòu)設(shè)備；智能網(wǎng)關(guān)；自適應(yīng)接入

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，接入物聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備中存在大量的異構(gòu)設(shè)備，這些設(shè)備支持不同的協(xié)議和標準，同時具有不同的特性和要求^[1]，給設(shè)備的接入和管理帶來了很大的挑戰(zhàn)。

因此，針對復(fù)雜工業(yè)場景下通信協(xié)議復(fù)雜、泛在接入難、自動化和智能化管控能力不足的問題，本文研究構(gòu)建了實時性、同步性要求高的異構(gòu)工業(yè)終端設(shè)備的協(xié)議自適應(yīng)接入方法，旨在解決各種不同設(shè)備、不同協(xié)議、不同數(shù)據(jù)格式之間的互聯(lián)與集成，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場異構(gòu)設(shè)備的自適應(yīng)接入、協(xié)議互通和統(tǒng)一化管理^[2]，實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣側(cè)強實時高同步的數(shù)據(jù)交換與通信。

1　方案研究

面向智能制造中高實時工控設(shè)備網(wǎng)中異構(gòu)設(shè)備多協(xié)議自適應(yīng)接入的需求，本文融合工業(yè)4.0中資產(chǎn)管理殼的思想，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)，通過接入層的智能網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場異構(gòu)設(shè)備的多協(xié)議自適應(yīng)接入，將邊緣側(cè)的邊緣計算、機理模型等有機結(jié)合，實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣側(cè)強實時高同步的數(shù)據(jù)交換與通信，進一步實現(xiàn)了邊緣側(cè)資源調(diào)度與決策。

1.1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用邊緣計算場景下“云-邊-端”三層體系異構(gòu)終端接入機制，支持海量終端的自適應(yīng)接入^[3]。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 異構(gòu)設(shè)備自適應(yīng)接入系統(tǒng)架構(gòu)

1.2　智能網(wǎng)關(guān)

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，通過研究工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)融合過程中廣域與局域、無線與有線等端到端傳輸?shù)亩嗄B(tài)協(xié)同機理，構(gòu)建具備異構(gòu)設(shè)備多協(xié)議融合與統(tǒng)一的智能網(wǎng)關(guān)，高效處理不同接入方式下的自動實時感知與行為解析^[4]，并通過設(shè)備管理殼與通信管理殼技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化標識，從而實現(xiàn)邊緣側(cè)多協(xié)議設(shè)備的自動化接入。基于智能網(wǎng)關(guān)的異構(gòu)設(shè)備自適應(yīng)接入框圖如圖2所示。

圖2 基于智能網(wǎng)關(guān)的異構(gòu)設(shè)備自適應(yīng)接入框圖

設(shè)計通用化設(shè)備管理殼，包括設(shè)備庫管理與設(shè)備管理，構(gòu)建邊緣側(cè)異構(gòu)設(shè)備的數(shù)字化標識，自動適配現(xiàn)場總線協(xié)議簇、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議簇、OPC協(xié)議簇等，實現(xiàn)多協(xié)議自適應(yīng)接入。設(shè)備管理殼主要負責設(shè)備的接入、配置、狀態(tài)監(jiān)控及管理工作，通過與設(shè)備的通信，獲取設(shè)備的狀態(tài)、數(shù)據(jù)等信息，并將這些信息處理成統(tǒng)一的格式，供通信管理殼使用。

設(shè)計通用化通信管理殼，包括通信模型、通信配置以及SDN網(wǎng)絡(luò)管理，負責網(wǎng)絡(luò)通信的管理工作，識別和解析不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)封裝成統(tǒng)一的格式，進行轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸。SDN網(wǎng)絡(luò)管理主要用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活管理和調(diào)度、提高網(wǎng)絡(luò)整體效率和安全性、保證網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性和可靠性^[5]。

2　自適應(yīng)接入方法

異構(gòu)工業(yè)設(shè)備自適應(yīng)接入技術(shù)是一種實現(xiàn)不同類型和型號的工業(yè)設(shè)備之間互聯(lián)互通的解決方案，旨在提高設(shè)備的兼容性和互操作性、促進設(shè)備之間的信息共享和協(xié)同工作。需要解決的問題包括設(shè)備的識別、標準協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換、非標準協(xié)議的解析，以及數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一。因此自適應(yīng)接入的關(guān)鍵技術(shù)如下所述。

2.1　設(shè)備庫構(gòu)建

在平臺端建立一個龐大的設(shè)備庫，包括設(shè)備特征庫和設(shè)備通信庫。錄入數(shù)據(jù)包括設(shè)備廠家和設(shè)備廠家下的各種設(shè)備型號，針對每種設(shè)備型號的通信協(xié)議、特征報文、參數(shù)模板等，每種參數(shù)模板下涉及的采集報文，每個報文下的采集項名稱及數(shù)據(jù)格式等。通過設(shè)備特征庫進行設(shè)備的識別，通過設(shè)備通信庫進行設(shè)備的采集。

在云端建立統(tǒng)一的設(shè)備庫，可對照圖3所示設(shè)備庫框圖，將設(shè)備庫配置分成三個層次，一是設(shè)備廠家?guī)欤窃O(shè)備廠家下的設(shè)備型號庫，三是設(shè)備型號下的采集點信息庫。同時，根據(jù)現(xiàn)場業(yè)務(wù)場景，可形成相對應(yīng)的采集參數(shù)模板。

圖3 設(shè)備庫框圖

2.2　接口適配

異構(gòu)設(shè)備的多樣性主要包括以下方面：

（1）從設(shè)備多樣性上，按照設(shè)備能力的不同，設(shè)備種類分PLC、機器人、數(shù)控機床、電機、傳感器、控制系統(tǒng)、閥門、HMI面板等，按照業(yè)務(wù)場景的不同，可選擇設(shè)備直連和設(shè)備非直連的接入方式。設(shè)備直連通過以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等有線方式接入，設(shè)備非直連通過Wi-Fi、Zigbee、藍牙等網(wǎng)絡(luò)模塊接入。

（2）從接口的多樣性上，數(shù)據(jù)傳輸接口繁多，不同種類的設(shè)備有不同的硬件接口，同一種類的設(shè)備也有不同的接口，包括RS232、RS485、CAN、RJ45等。

（3）從通訊協(xié)議的多樣性上，包括近距離通信、長距離蜂窩通信、有線通信等。近距離通信主要有針對NFC、RFID、Bluetooth等接口的協(xié)議，遠距離蜂窩通信主要有針對3G/4G/5G、NBIoT等接口的協(xié)議，有線通信主要有針對RS232、RS485、CAN、RJ45等接口的協(xié)議^[6]。

因此，針對不同種類的設(shè)備、不同種類的接口、不同種類的協(xié)議，需要開發(fā)相應(yīng)的硬件接口適配，以實現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通。

接口適配可以采用面向接口編程的思想，定義一種通用數(shù)據(jù)格式和協(xié)議，并將專有通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為標準協(xié)議。通過使用通用的接口和協(xié)議，不同類型的設(shè)備可以使用同一種協(xié)議和數(shù)據(jù)格式與不同的網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)進行交互。

2.3　設(shè)備識別

按照設(shè)備接口的多樣性以及協(xié)議的多樣性，對設(shè)備的識別也采用多種方式。對一些無法改造的舊設(shè)備，可通過設(shè)備庫的方式進行識別；對一些智能設(shè)備，可通過SDN的網(wǎng)絡(luò)管理進行設(shè)備發(fā)現(xiàn)和信息收集。

（1）設(shè)備庫識別

云端設(shè)備庫構(gòu)建后，可根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況下發(fā)設(shè)備庫到智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)設(shè)備庫中設(shè)備類型、特征報文、通信協(xié)議等信息，按照協(xié)議特征+設(shè)備尋址的方式逐個設(shè)備掃描，從而識別設(shè)備協(xié)議及設(shè)備類型；識別到設(shè)備后，形成在線設(shè)備列表。

（2）SDN網(wǎng)絡(luò)管理識別

SDN網(wǎng)絡(luò)管理通過自動識別網(wǎng)絡(luò)中的拓撲結(jié)構(gòu)和設(shè)備信息，并將其存儲在拓撲數(shù)據(jù)庫中，包括設(shè)備配置、鏈路狀態(tài)、流量控制等。通過在智能網(wǎng)關(guān)里部署SDN控制器及其相應(yīng)的模塊，使用基于OpenFlow協(xié)議的消息與網(wǎng)絡(luò)中的多協(xié)議設(shè)備進行交互^[7]，發(fā)現(xiàn)并收集設(shè)備的類型、位置、支持的協(xié)議等信息；在設(shè)備發(fā)現(xiàn)與信息收集的基礎(chǔ)上，使用抽象模型對多種協(xié)議和設(shè)備的行為進行統(tǒng)一的描述和建模。最后可根據(jù)抽象和建模的結(jié)果，制定相應(yīng)的控制策略，同時通過實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量的狀態(tài)和設(shè)備的運行情況，對控制策略進行優(yōu)化和調(diào)整，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最佳性能和可靠性。

2.4　協(xié)議轉(zhuǎn)換

協(xié)議轉(zhuǎn)換主要通過軟件算法來解析和管理不同設(shè)備的協(xié)議。智能網(wǎng)關(guān)識別到設(shè)備列表后，根據(jù)設(shè)備協(xié)議類型，使用相應(yīng)的協(xié)議解析算法來讀取和解析設(shè)備的數(shù)據(jù)[8]。將不同設(shè)備的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的協(xié)議，不同設(shè)備的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式，以便于設(shè)備之間的信息交互及數(shù)據(jù)的共享和集成。

設(shè)備管理殼通過使用不同的通信協(xié)議及格式，例如DLT645、Modbus、MQTT等，實現(xiàn)多種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，也可以將不同協(xié)議的數(shù)據(jù)格式進行適配。例如，將DLT645協(xié)議的電表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Modbus協(xié)議的電表數(shù)據(jù)。

2.5　設(shè)備通信

云端根據(jù)識別到的設(shè)備列表，可對每個設(shè)備進行通信配置，根據(jù)設(shè)備通信庫中配置的多個參數(shù)模板信息，選擇跟現(xiàn)場要求匹配的參數(shù)模板，下載到智能網(wǎng)關(guān)；智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)通信配置相關(guān)信息實現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備的數(shù)采功能，最終將采集到的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式上傳到云端進行顯示和分析。

3　試驗驗證

本文基于上述方法，在本地實驗室搭建了測試環(huán)境，對其可行性進行驗證。

參考工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“云-邊-端”和通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，本文構(gòu)建的試驗驗證系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4所示。

圖4 試驗驗證系統(tǒng)架構(gòu)

參與驗證的設(shè)備種類分以太網(wǎng)設(shè)備和現(xiàn)場總線設(shè)備，包括PLC控制器、電表、多功能儀表、傳感器、注塑機；設(shè)備接口包括485、CAN、以太網(wǎng)；協(xié)議包括Modbus、Profibus-DP、CANopen、ModbusTCP、MQTT等。

具體步驟如下：

（1）在云端建立設(shè)備庫，將設(shè)備的通信協(xié)議、基本功能和配置存放于設(shè)備特征庫中，下載到智能網(wǎng)關(guān)；

（2）在智能網(wǎng)關(guān)中，通過地址+特征庫的方式進行掃描，實現(xiàn)設(shè)備識別；

（3）識別到設(shè)備后，形成云端在線設(shè)備列表，配置設(shè)備通信庫，開啟數(shù)采功能；

（4）采集到數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，按照統(tǒng)一的通信協(xié)議上傳到云端進行顯示和分析。

在平臺頁面查看到的現(xiàn)場總線端的頁面如圖5、圖6所示。

圖5 現(xiàn)場總線端設(shè)備識別設(shè)備顯示

圖6 現(xiàn)場總線端設(shè)備數(shù)據(jù)顯示

在平臺頁面查看到的以太網(wǎng)端的頁面如圖7、圖8所示。

圖7 以太網(wǎng)端識別設(shè)備顯示

圖8 以太網(wǎng)端設(shè)備數(shù)據(jù)顯示

上述多協(xié)議自適應(yīng)接入測試在實驗室進行了初步驗證，測試結(jié)果表明，該方法可以成功地發(fā)現(xiàn)并識別各種設(shè)備及協(xié)議，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的上傳下達。

4　結(jié)束語

異構(gòu)工業(yè)設(shè)備自適應(yīng)接入技術(shù)是實現(xiàn)工業(yè)4.0、智能制造等應(yīng)用場景中設(shè)備連接和協(xié)同工作的重要技術(shù)手段。本文提出的這種異構(gòu)設(shè)備多協(xié)議自適應(yīng)接入的方法，通過實驗驗證表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對多種協(xié)議和設(shè)備的統(tǒng)一管理和控制，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性，具有高靈活性和可擴展性，為未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了新的思路和方向，對于促進工業(yè)設(shè)備的互聯(lián)互通和智能制造的發(fā)展具有重要意義。

作者簡介：

陳淑芳（1984-），女，江西宜春人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于上海電器科學研究所（集團）有限公司，主要從事工業(yè)自動化及嵌入式應(yīng)用方面的研究。

張人杰（1992-），男，湖南常德人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于上海電器科學研究所（集團）有限公司，主要從事工業(yè)控制及通信方面的研究。

聶　佳（1981-），女，湖北武漢人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于上海電器科學研究所（集團）有限公司，主要從事工業(yè)控制及通信方面的研究。

參考文獻：

[1] 黎明, 張云, 關(guān)大力, 等. 數(shù)字化車間異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)源集成關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2022, 65 (7) : 38 – 43.

[2] 黃勇光, 黃兵. 基于數(shù)據(jù)融合的海量物聯(lián)設(shè)備接入?yún)f(xié)議自適應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[J]. 電子設(shè)計工程, 2023, 32 (10) : 64 - 68.

[3] 應(yīng)俊, 蔡月明, 劉明祥, 等. 適用于配電物聯(lián)網(wǎng)的低壓智能終端自適應(yīng)接入方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44 (2) : 22 - 27.

[4] 袁博. 面向軟件定義的智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研究與設(shè)計[D]. 杭州: 杭州電子科技大學, 2020.

[5] 辛榮寰, 陳禮波, 曹童杰. 基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的多接入邊緣計算+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)策略研究[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2021 (6) : 73 - 77.

[6] 王艷. 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)異構(gòu)協(xié)議中間件關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 深圳: 深圳大學, 2016.

[7] 侯明星, 亓慧. 基于SDN的異構(gòu)型物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案研究[J]. 智能處理與應(yīng)用, 2017 (12) : 38 - 40.

[8] 陳俊峰. 物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)設(shè)備接入?yún)f(xié)議解析與特征識別的研究與實現(xiàn)[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2020.

摘自《自動化博覽》2024年4月刊